CN102034363B

CN102034363B - 一种具有自学习功能的交通信号故障检测装置及其检测方法

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Publication number: CN102034363B
Application number: CN201010594973A
Authority: CN
Inventors: 王竞
Original assignee: SICHUAN NEW DEVELOPMENT TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SICHUAN NEW DEVELOPMENT TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102034363A

Abstract

本发明公开了一种具有自学习功能的交通信号故障检测装置及其检测方法，属于交通信号自动控制与计算机软件应用技术领域。其装置包括电流测量电路、主控制器、非易失型存储器、远程通信接口、本地通信接口以及时钟电路构成；电流测量电路由并行的多路电流测量分支组成，每一路分支是由电流信号提取、信号滤波、A/D变换电路组成；采样电阻Rs串接在信号控制器与信号灯之间的线路上。检测方法包括学习与故障检测状态且是相互转换的，主控器将测量的信号灯电流值与学习时间统计的数据进行比较，如果任何一个相位的信号灯的电流值、信号灯熄灭点亮周期与之前学习时间内统计的数据的偏差超过预先设定的门限值，则判断该相位存在故障。

Description

一种具有自学习功能的交通信号故障检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于交通电子信号控制与计算机软件应用技术领域，尤其涉及一种具有自学习功能的交通信号故障检测装置及其检测方法。

背景技术

交通信号系统的正常工作对于维护城市交通的正常秩序有着重要作用。当交通信号系统发生故障时，往往导致交通混乱或车辆通行效率下降。因此，及时发现和处理交通信号系统故障对于现代交通管理有着重要的意义。对于交通信号信号系统的故障判断，通常是通过测量各路交通信号灯线路上的电流值或电压的方法来判断。但是，该方法目前存在这样一些不足：

(1)不同信号灯的工作电流有较大的差别，而且实际安装中还可能将多个同相位的信号灯并联接入控制器的同一驱动线路上，进一步加剧了不同信号灯之间的工作电流差异。这使得基于电流的故障检测存在误判或漏报，例如对于工作电流很大的信号灯或并列的信号灯组，即使其部分损坏，仍然存在较大的工作电流，检测装置可能无法发现其故障；对于工作电流很小的信号灯，即使其正常工作，由于电流较小，检测装置却可能误判为故障；

(2)无法稳定地检测漏电、接触不良等故障。由于漏电带来的信号灯线路电流增大、由于接触不良带来的电流减小都可能因为其电流变化小于不同信号灯之间的正常工作电流之差异，而无法被检测到；

(3)无法检测信号灯熄灭、点亮周期异常。实际运行工作中，存在信号灯熄灭、点亮周期异常的故障。例如，信号控制器设置出错或本身故障，导致信号灯点亮时间超长或不足、熄灭时间超长或不足。这些故障同样会引起交通混乱；

(4)无法处理不同时段的信号灯点亮、熄灭周期的不同设置。例如，有的路口白天红绿灯有其工作周期，到了夜间会切换到黄灯闪烁模式而使红灯绿灯保持熄灭。此时段虽然红灯和绿灯熄灭，却并非故障。如果不处理这种时段引起的正常差异，将产生故障误判。

文献检索中与本发明最为接近的是中国科学院自动化研究所公开的名为“一种交通信号控制器的故障诊断系统及方法”的专利申请200810102798.5号。其步骤是采用一块故障检测板与多块电压电流检测板连接；由电压电流检测板检测交通信号控制器每路交流输出的电压、电流信息，故障检测板定时与各块电压电流检测板通信，查询电压、电流信息，并根据预先定义的规则，进行绿冲突等交通信号控制器的故障判断；在发生异常情况时，向交通信号控制器主控板报警，并通过前面板指示灯显示具体故障类型；在发生严重故障时，故障检测板提供一个交流继电器输出信号，可控制交通信号控制器的输出，将其切换到黄闪状态。本发明与其相比其目的、技术特征及解决方案是有所不同的。

发明内容

本发明目的是公开了一种具有自学习功能的交通信号系统的故障检测装置，本发明的另一个目的，是公开了具有自学习功能的交通信号故障检测装置的检测方法，以期能够解决上述现有检测方法和装置的不足与局限。

实现本发明目的的技术解决方案是这样的：一种具有自学习功能的交通信号故障检测装置，包括：电流测量电路，主控制器，非易失型存储器远程通信接口，本地通信接口以及时钟电路；主控制器通过数字总线与电流测量电路连接，通过地址与数据总线与非易失型存储器、远程通信接口、本地通信接口连接；电流测量电路是由并行的多路电流测量分支组成；每一路分支是由电流信号提取、信号滤波、A/D变换电路组成；信号提取是指采样电阻Rs串接在信号控制器与信号灯之间的线路上；非易失型存储器内设有程序模块。

所述的具有自学习功能的交通信号故障检测装置的检测方法，包括自主学习状态与故障检测状态，自主学习状态是指在预设的或者用户指定的学习时间内，装置对信号灯的各路电流及电压进行测量、统计和记录；所述的故障检测状态，是指经历了设定的学习时间之后，装置可以自动的或经人工干预的进入的对信号灯进行故障检测的状态，自主学习状态与故障检测状态是可以相互转换的，其步骤如下：

2.1开机，2.2判断装置中是否存有信号灯系统特征数据？如果回答No，则装置进入学习状态，如果回答Yes，装置进入故障检测状态；2.3执行学习状态时，如果达到设定的学习时间或者收到退出学习状态的指令，则进入故障检测状态；2.4执行故障检测状态时，如果收到进入学习状态的指令，则进入学习状态。

所述的具有自学习功能的交通信号故障检测装置的检测方法，步骤如下：

3.1学习状态开始，3.2判断当前时刻是某整点或半点时刻？如果回答No，重新进入学习状态，如果回答Yes，继续执行下一步；3.3初始化最大电流记录值Imax，最小电流记录值Imin，信号灯点亮时刻记录数组，信号灯熄灭时刻记录数组；3.4读取当前电流值，3.5判断当前电流值是否大于Imax？如果回答Yes，则将当前电流值保存到Imax，如果回答No，继续执行下一步；3.6继续判断当前电流值是否小于Imin，如果回答Yes，则将当前电流值保存到Imin，如果回答No，继续执行下一步；3.7判断当前电流值减去上次读取的电流值之差是否大于电流跳变门限？如果回答Yes，将当前时刻保存到信号灯点亮时刻记录，如果回答No，继续执行下一步；3.8判断上次读取的电流值减去当前电流值之差是否大于电流跳变门限？如果回答Yes，将当前时刻保存到信号灯熄灭时刻记录，如果回答No，继续执行下一步；3.9判断是否已经连续统计30分钟？如果回答Yes，继续执行下一步；如果回答No，则返回3.4步骤，继续读取当前电流值；3.10查找所有相邻的信号灯点亮时刻到信号灯熄灭时刻的之间的时长的最大值，记录为信号灯点亮时长；3.11查找所有相邻的信号灯熄灭时刻到信号灯点亮时刻的之间的时长的最大值，记录为信号灯熄灭时长；3.12将信号灯点亮时长、信号灯熄灭时长、信号灯点亮电流Imax，信号灯熄灭电流Imin保存为当前30分钟周期内的信号灯特征数据；3.13判断是否已经连续统计24小时？如果回答Yes，则学习状态结束，如果回答No，则返回到3.3步骤。

所述的具有自学习功能的交通信号故障检测装置的主控制器1.2采用ARM9处理器，非易失型存储器1.3采用FLASH存储器，远程通信接口1.4采用GPRS移动通信数据模块，本地通信接口1.5采用RS232，时钟电路采用DS12C887。

与现有技术比较，本发明所具有的有益效果表现在：

1、本发明能够在实际应用中比现有技术更准确和稳定地检测断路、短路故障。由于实际应用中不同型号信号灯的工作电流差异较大、并联线路使用等实际情况进一步加大这种差异，采用原有固定的电流检测门限很难准确稳定地检测断路、短路故障。而本装置根据被测信号系统的实际工作电流进行学习，用学习状态中获得的特征数据进行判断，准确度更高，检测结果更稳定可靠。

2、本发明能够根据信号灯点亮或熄灭时长异常来判断交通信号系统中的控制器故障、配置出错、线路接触不良等故障。而现有技术由于没有基于时间段学习获得的特征数据，无法准确稳定判断这类故障。

3、本发明能够避免由于交通信号系统不同时间段配置不同而引起的故障误判。例如，在夜间信号灯切换到黄灯闪亮模式时，红灯、绿灯将保持长时间熄灭。本发明能够确保黄灯闪亮模式不会被误判为故障。

4、本发明在实际使用中比现有技术安装施工更简单和高效。由于采用本发明所述技术的装置可以自动识别各个相位上是否安装了信号灯以及信号控制器是否启用了该相位，安装时无需额外的人工配置，也无需对测量电路的接线顺序进行调整，完全实现了即插即用。

附图说明

图1为本发明所述交通信号故障检测装置结构框图示意图。

图2为本发明所述的电流测量电路组成框图示意图。

图3、图4为本发明所述的电流测量电路部分组成线路示意图。

图5为本发明所述的学习状态与故障检测状态相互转换步骤示意图。

图6为本发明所述交通信号故障检测方法流程示意图。

图7是本发明所述装置的应用实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述装置及其检测方法作进一步说明，具有自学习功能的交通信号故障检测装置所述实例仅旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。

参见图1～图4，具有自学习功能的交通信号故障检测装置由电流测量电路1.1，主控制器1.2，非易失型存储器1.3，远程通信接口1.4，本地通信接口1.5以及时钟电路构成；主控制器1.2通过数字总线与电流测量电路1.1连接，通过地址与数据总线与非易失型存储器1.3、远程通信接口1.4、本地通信接口1.5连接；电流测量电路1.1是由并行的多路电流测量分支组成；每一路分支，是由电流信号提取、信号滤波、A/D变换电路组成；信号提取是指采样电阻Rs串接在信号控制器与信号灯之间的线路上；非易失型存储器1.3内设有程序模块。

主控制器1.2采用ARM9处理器，非易失型存储器1.3采用FLASH存储器，远程通信接口1.4采用GPRS移动通信数据模块，本地通信接口1.5采用RS232，时钟电路采用DS12C887。测量电路1.1中，在信号灯驱动电流驱动下信号提取采样电阻Rs，从信号控制器与信号灯之间的线路上提取的信号通过滤波与A/D转换后经过数据总线发至主控制器1.2并存储在非易失型存储器1.3上。

本发明装置安装于交通路口的信号控制器机柜中，包括所述测量电路，主控制器，远程通信接口，本地通信接口，存储单元，时钟单元以及原信号控制器和信号灯。测量电路的采样电阻串接在信号控制器到信号灯之间的线路上。所述的具有自学习功能的交通信号故障检测装置的检测方法，包括自主学习状态与故障检测状态，自主学习状态是指在预设的或者用户指定的学习时间内，装置对信号灯的各路电流及电压进行测量、统计和记录；其学习时间通常为本装置初始安装完成并且交通信号系统正常工作后的最初24小时但不限于此时间。学习状态期间要求交通信号系统处于正常工作状态，测量、统计和记录的数据包括信号控制器每一个相位上信号灯点亮时的线路电流值和电压值，以及信号灯熄灭时的线路电流值和电压值。为了处理信号系统针对不同时段的不同设置，测量、统计和记录包含有时间信息——对于不同的时间段，本装置都将记录每一个相位上的信号灯的点亮、熄灭周期的时间长度。

所述故障检测状态，是在经历了设定的学习时间之后，装置可以自动的或经人工干预的进入的对信号灯进行故障检测的状态。故障检测状态中，装置将测量的信号灯电流值与学习时间统计的数据进行比较，如果任何一个相位的信号灯的电流值、信号灯熄灭点亮周期与之前学习时间内统计的数据的偏差超过预先设定的门限值，则判断该相位存在故障。具体的故障类型和判断方法包括但不限于下表所列：

表1

表中所述参考值为学习状态统计的对应时间段的数值。例如，在故障监测状态中在上午9点到9点30分时段使用的参考值，是学习状态在上午9点到9点30分时段统计的信号灯特征数据。本发明也允许在学习状态仅仅判断每一相位是否被启用以及是否安装了信号灯。在本实施例中，所有参考值为预先配置数据，这些值可以设定如下：信号灯点亮时的电流参考值：10mA，信号灯熄灭时的电流参考值：0mA，信号灯点亮时长参考值：99秒，信号灯熄灭时长参考值：99秒。

所述发明装置的学习状态和故障检测状态是可以相互转换的，其转换步骤如下(参见图5)：2.1开机，2.2判断装置中是否存有信号灯系统特征数据？如果回答No，则装置进入学习状态，如果回答Yes，装置进入故障检测状态；2.3执行学习状态时，如果达到设定的学习时间或者收到退出学习状态的指令，则进入故障检测状态；2.4执行故障检测状态时，如果收到进入学习状态的指令，则进入学习状态。

所述的具有自学习功能的交通信号故障检测装置的检测方法，本实施例是针对每一个相位的信号灯线路进行学习状态的测量、统计和记录的具体方法，步骤如下(参见图6)：

3.1学习状态开始，3.2判断当前时刻是某整点或半点时刻？在进入学习状态后，读取当前的时间，并一直等待直到当前时刻是某一整点，例如：早上9点或早上九点半时刻。如果回答No，重新进入学习状态，如果回答Yes，继续执行下一步；3.3初始化最大电流记录值Imax，最小电流记录值Imin，信号灯点亮时刻记录数组，信号灯熄灭时刻记录数组；3.4读取当前电流值，3.5判断当前电流值是否大于Imax？如果回答Yes，则将当前电流值保存到Imax，如果回答No，继续执行下一步；3.6继续判断当前电流值是否小于Imin，如果回答Yes，则将当前电流值保存到Imin，如果回答No，继续执行下一步；3.7判断当前电流值减去上次读取的电流值之差是否大于电流跳变门限？如果回答Yes，将当前时刻保存到信号灯点亮时刻记录，如果回答No，继续执行下一步；3.8判断上次读取的电流值减去当前电流值之差是否大于电流跳变门限？如果回答Yes，将当前时刻保存到信号灯熄灭时刻记录，如果回答No，继续执行下一步；3.9判断是否已经连续统计30分钟？如果回答Yes，继续执行下一步；如果回答No，则返回3.4步骤，继续读取当前电流值；3.10查找所有相邻的信号灯点亮时刻到信号灯熄灭时刻的之间的时长的最大值，记录为信号灯点亮时长；3.11查找所有相邻的信号灯熄灭时刻到信号灯点亮时刻的之间的时长的最大值，记录为信号灯熄灭时长；需要说明的是根据信号灯点亮时刻数组和信号灯熄灭时刻数组中记录的时刻，可以计算出这30分钟内信号灯每一次点亮的持续时间以及每一次熄灭的持续时间，具体方步骤如下：

对信号灯点亮时刻数组中的每一个点亮时刻，在信号灯熄灭时刻数组中查找该时刻以后最早的一个熄灭时刻。从该点亮时刻到该熄灭时刻的时间差即为该次信号灯点亮的持续时间。从而，可以求得每次信号灯点亮的持续时间；

b)对信号灯熄灭时刻数组中的每一个熄灭时刻，在信号灯点亮时刻数组中查找该时刻以后最早的一个点亮时刻。从该熄灭时刻到该点亮时刻的时间差即为该次信号灯熄灭的持续时间。从而，可以求得每次信号灯熄灭的持续时间。

从上述步骤中计算出的所有信号灯点亮持续时间和熄灭持续时间中找到最大值，即为信号灯的最长点亮时间和信号灯的最长熄灭时间；将Imax，Imin，信号灯的最长点亮时间和信号灯的最长熄灭时间保存为本30分钟周期内的信号灯特征数据。如果信号灯的最长点亮时间为0，则记录该相位的信号灯为未启用状态，同样保存为特征数据。

继续执行3.12将信号灯点亮时长、信号灯熄灭时长、信号灯点亮Imax，信号灯熄灭Imin保存为当前30分钟周期内的信号灯特征数据；3.13判断是否已经连续统计24小时？如果回答Yes，则学习状态结束，如果回答No，则返回到3.3步骤；直到统计完成24小时中每个30分钟周期的信号灯特征数据。

上述步骤3.7和3.8步骤中所述电流跳变门限，根据对大量信号灯的工作电流的测量确定。在一种具体运用实施例中，电流值设定为2mA。

在学习状态，还包括了判断每一相位是否被启用以及是否安装了信号灯，其实现方法，是在上述的步骤3.12中，判断信号灯的最长点亮时间——如果信号灯的最长点亮时间为0，则记录该相位的为未启用状态。

作为本发明的一个简化的应用方法实施例，本发明还包括在学习状态仅判断不同时段每一相位是否被启用以及是否安装了信号灯，步骤如下：

1)在进入学习状态后，读取当前的时间，并一直等待直到当前时刻是某一整点例如：早上9点或半点，例如：早上九点半时刻；

2)读取当前电流值；

3)对任一相位，如果当前电流值减去上次读取的电流值之差大于电流跳变门限，则认为将该相位标记为启用状态；

4)重复步骤2)到步骤3)直到完成30分钟的连续测量、统计处理；

5)将每一相位是否启用的信息保存为本30分钟周期内的信号灯特征数据；

6)对步骤2)到5)重复，直到统计完成24小时中每个30分钟周期的信号灯特征数据。

作为本发明的又一个简化的应用方法实施例，本发明还包括在学习状态仅仅判断每一相位是否被启用以及是否安装了信号灯，步骤如下：

1)在进入学习状态；

2)读取每一相位的当前电流值；

4)重复步骤2)到步骤3)直到到达预先设定的时间或收到退出学习状态的命令；

5)保存在本次学习状态中对每一相位启用或未启用的信号灯相位信息作为信号灯特征数据。

下面提供本发明的实际工作过程的实施例(参见图7)：首先启动交通信号控制器及信号灯，完成信号控制器的正确配置，并确保信号灯安装正常。然后，启动本装置电源。由于装置首次开机时，内部尚未存储信号灯特征数据，在主控制器、测量电路、程序模块的支持下装置则自动进入学习状态。学习状态中装置对信号灯电流进行持续的测量、统计和记录，这一过程持续24个小时。在学习状态持续24小时后，装置进入故障监测状态。故障监测状态时，装置实时地对每一相位的信号灯的电流进行测量，并按照上述表格1中的规则进行故障判断。当信号控制器、信号灯或者其线路发生故障时，装置根据表1中的规则迅速发现该故障，并通过远程通信接口向控制中心报告。控制中心接到报告后，根据故障发生的时间、地点和故障类型可以立刻进行处理，安排故障抢修。

Claims

1.一种具有自学习功能的交通信号故障检测装置的检测方法，包括电流测量电路（1.1），主控制器（1.2），非易失型存储器（1.3），远程通信接口（1.4），本地通信接口（1.5）以及时钟电路；所述的主控制器（1.2）通过数字总线与电流测量电路（1.1）连接，通过地址与数据总线与非易失型存储器（1.3）、远程通信接口（1.4）、本地通信接口（1.5）连接；该装置根据被测信号系统的实际工作电流进行学习，用学习状态中获得的特征数据进行判断，进行判断的方法包括自主学习状态与故障检测状态，自主学习状态是指在预设的或者用户指定的学习时间内，装置对信号灯的各路电流及电压进行测量、统计和记录；所述的故障检测状态，是指经历了设定的学习时间之后，装置可以自动的或经人工干预的进入的对信号灯进行故障检测的状态，其特征是，自主学习状态与故障检测状态是可以相互转换的，其步骤如下：

（2.1）开机，（2.2）判断装置中是否存有信号灯系统特征数据，如果回答No，则装置进入自主学习状态，如果回答Yes，装置进入故障检测状态；（2.3）执行自主学习状态时，如果达到设定的自主学习时间或者收到退出自主学习状态的指令，则进入故障检测状态；（2.4）执行故障检测状态时，如果收到进入自主学习状态的指令，则进入自主学习状态。

2.根据权利要求1所述的具有自学习功能的交通信号故障检测装置的检测方法，其特征是，执行自主学习状态的步骤如下：

（3.1）自主学习状态开始，（3.2）判断当前时刻是某整点或半点时刻，如果回答No，重新进入自主学习状态，如果回答Yes，继续执行下一步；（3.3）初始化最大电流记录值Imax，最小电流记录值Imin，信号灯点亮时刻记录数组，信号灯熄灭时刻记录数组；（3.4）读取当前电流值，（3.5）判断当前电流值是否大于Imax，如果回答Yes，则将当前电流值保存到Imax，如果回答No，继续执行下一步；（3.6）继续判断当前电流值是否小于Imin，如果回答 Yes，则将当前电流值保存到Imin，如果回答No，继续执行下一步；（3.7）判断当前电流值减去上次读取的电流值之差是否大于电流跳变门限，如果回答Yes，将当前时刻保存到信号灯点亮时刻记录数组，如果回答No，继续执行下一步；（3.8）判断上次读取的电流值减去当前电流值之差是否大于电流跳变门限，如果回答Yes，将当前时刻保存到信号灯熄灭时刻记录数组，如果回答No，继续执行下一步；（3.9）判断是否已经连续统计30分钟，如果回答Yes，继续执行下一步；如果回答No，则返回（3.4）步骤，继续读取当前电流值；（3.10）查找所有相邻的信号灯点亮时刻到信号灯熄灭时刻之间的时长的最大值，记录为信号灯点亮时长；（3.11）查找所有相邻的信号灯熄灭时刻到信号灯点亮时刻之间的时长的最大值，记录为信号灯熄灭时长；（3.12）将信号灯点亮时长、信号灯熄灭时长、最大电流记录值Imax，最小电流记录值Imin保存为当前30分钟周期内的信号灯特征数据；（3.13）判断是否已经连续统计24小时，如果回答Yes，则自主学习状态结束，如果回答No，则返回到（3.3）步骤。

3.根据权利要求1所述的具有自学习功能的交通信号故障检测装置的检测方法，其特征是：所述的主控制器（1.2）采用ARM9处理器，非易失型存储器（1.3）采用FLASH存储器，远程通信接口（1.4）采用GPRS移动通信数据模块，本地通信接口（1.5）采用RS232，时钟电路采用DS12C887。